CN109732252B - 一种机器人焊接路径的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于焊接机器人领域，提供了一种机器人焊接路径的优化方法，该方法包括：获取焊接机器人的初始焊接路径程序，从初始焊接路径程序中提取焊点坐标和焊枪角度信息，该焊枪角度信息记录了焊枪沿焊点坐标移动时的转动角度，根据焊枪角度信息对焊枪的焊接路径进行优化，将基于焊枪角度信息选取的焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径。根据本方法得到的最优焊接路径对机器人的实际焊接顺序重新规划，可以提高焊接机器人的焊接效率，同时避免焊接过程中焊枪姿态以及与焊枪连接的电缆线频繁发生大角度的变化，延长了焊枪和线缆的寿命。

Description

一种机器人焊接路径的优化方法

技术领域

本发明属于焊接机器人领域，尤其涉及一种机器人焊接路径的优化方法。

背景技术

机器人焊接具有焊接效率高、焊接质量稳定、工作强度低等优点，已在工业自动化领域得到了广泛的应用。但是目前，机器人自动化焊接在焊接路径规划方面并不完善，技术人员往往凭借经验进行路径规划，但这容易导致机器人焊接作业顺序不合理，从而使得焊接效率降低，并且，随着焊点数量增加，单通过经验很难找到最优的焊接路径，由此增加了整个焊接过程的节拍时间，延长了生产线的生产周期。另外，对于工况复杂的焊接作业，当焊接路径规划不合理时，焊枪的姿态会频繁发生大角度变化，这也导致与焊枪连接的电缆线频繁发生扭曲而产生大量的能量消耗，缩短了焊枪和线缆的寿命。因此，提供一种机器人焊接路径的优化方法来解决由于焊接路径规划不合理造成的一系列问题迫在眉睫。

发明内容

本发明提供了一种机器人焊接路径的优化方法，旨在解决现有技术中由于焊接路径规划不合理降低了机器人的焊接效率以及焊枪和线缆寿命的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种机器人焊接路径的优化方法，所述方法包括：

获取焊接机器人的初始焊接路径程序；

从所述初始焊接路径程序中提取焊点坐标和焊枪角度信息，所述焊枪角度信息记录了焊枪沿所述焊点坐标移动时的转动角度；

根据所述焊枪角度信息对焊枪的焊接路径进行优化，将基于所述焊枪角度信息选取的焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径。

优选地，所述获取焊接机器人的初始焊接路径程序的方法包括：

从焊接机器人示教器程序备份中导出；

或者，从机器人厂商专用工艺仿真软件模拟示教程序中导出；

或者，从第三方工艺仿真软件离线程序中导出。

优选地，所述从所述初始焊接路径程序中提取焊点坐标和焊枪角度信息，包括：

读取初始焊接路径程序文件；

从所述初始焊接路径程序文件中识别孤立焊点和连续焊点，并提取各个所述孤立焊点和连续焊点的坐标信息，其中，所述连续焊点包括以固定顺序焊接形成焊缝的至少两个焊点；

所述坐标信息包括焊点坐标和焊枪角度坐标，所述焊枪角度坐标记录了焊枪从一个焊点移动到另一个焊点的转动角度信息；

所述连续焊点的坐标包括起始点坐标和终点坐标，如果一段连续焊点的终点坐标同时是另一段连续焊点的起始点坐标，则将这两段连续焊点合并为新的连续焊点，并记录所述终点坐标或所述起始点坐标为所述新的连续焊点的中间点坐标。

优选地，所述根据所述焊枪角度信息对焊枪的焊接路径进行优化，包括：

初始化蚁群算法的参数，确定包括蚁群中蚂蚁的数目、焊枪角度因子和最大循环次数；

随机选择一个焊点作为蚂蚁的起点，按照预设的循环规则遍历所有焊点，实现一次焊接循环，直至焊接循环的总次数达到所述最大循环次数；

将每次焊接循环中蚂蚁的移动轨迹记为焊枪的一条焊接路径，得到优化后的所有焊接路径的集合。

优选地，所述预设的循环规则为：

每抵达一个焊点，先判断所述焊点的焊接类型；

如果所述焊点为孤立焊点，则按照状态转移概率向下一个焊点位置移动；

如果所述焊点为连续焊点的起始点，则无条件地向所述连续焊点中沿固定顺序排列的下一个焊点位置移动，且排除由两段连续焊点合并所构成的新的连续焊点的中间点作为蚂蚁的起点；

每经过一个焊点，则修改蚂蚁个体的移动禁忌表，同时更新当前焊接循环中的信息素浓度，直至遍历所有焊点，实现一次焊接循环。

优选地，所述基于所述焊枪角度信息选取的焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径，包括：

计算第i只蚂蚁所经过的焊接路径长度L_i，以及所述焊接路径上的焊枪角度因子Φ_i；

设目标函数T_i＝Φ_i L_i，并将所述目标函数T_i的最优解T对应的焊接路径作为最优焊接路径；

其中，T＝min(T_i)；

所述焊枪角度因子Φ_i归一化，其范围为[0，1]。

优选地，在所述根据所述焊枪角度信息对焊枪的焊接路径进行优化，将基于所述焊枪角度信息选取的焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径之后，还包括：

根据所述最优焊接路径对初始焊接路径程序中的焊接顺序重新排序，得到焊接路径优化程序；

根据实际焊接工况在所述焊接路径优化程序中的部分焊点处、且沿焊枪角度方向增加焊接接近点和焊接退枪点；

对所述焊接接近点和焊接退枪点设置相应的焊接参数，得到完整的焊接路径优化程序，其中，所述焊接参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、起弧文件、收弧文件和保护气体。

优选地，在所述得到完整的焊接路径优化程序之后，还包括：

采用仿真软件对所述完整的焊接路径优化程序进行仿真模拟，再使用机器人进行现场焊接测试。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：根据焊枪角度信息对焊枪的焊接移动路径进行优化，并基于焊枪角度信息选取焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径，本发明中根据该最优焊接路径对焊接机器人的实际焊接顺序重新规划，可以提高焊接机器人的焊接效率，同时避免焊枪的姿态以及与焊枪连接的电缆线频繁发生大角度的变化，从而延长了焊枪和线缆的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例提供的的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的机器人焊接路径的优化方法的流程图；

图2为图1所示优化方法中的S200的细化流程图；

图3为图1所示优化方法中的S300的细化流程图；

图4为本发明第二实施例提供的最优焊接路径的示意图；

图5为本发明第三实施例提供的最优焊接路径的示意图；

图6为本发明第四实施例提供的机器人焊接路径的优化方法的流程图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明第一实施例提供的机器人焊接路径的优化方法的流程图。

该方法包括如下步骤：

S100、获取焊接机器人的初始焊接路径程序。

S200、从初始焊接路径程序中提取焊点坐标和焊枪角度信息，焊枪角度信息记录了焊枪沿焊点坐标移动时的转动角度。

S300、根据焊枪角度信息对焊枪的焊接路径进行优化，将基于焊枪角度信息选取的焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径。

在本发明实施例中，焊接路径程序用于指导焊接机器人运行，程序的编写方法通常包括：采用机器人示教器面板进行机器人现场示教、采用机器人厂商专用工艺仿真软件进行模拟示教，或采用第三方工艺仿真软件如DELMIA软件进行模拟示教。

示例性的，基于第三方工艺仿真软件DELMIA编写初始焊接路径程序的方法如下：

建立机器人焊接工艺的仿真模型，该仿真模型包括机器人模型、焊接工件模型和焊装夹具模型；

将该机器人模型、焊接工件模型和焊装夹具模型按照实际工况进行组装，并在焊接工件模型上建立以实际焊点为原型的焊接工艺点；

建立焊接工艺仿真程序，将焊接工艺点添加到焊接工艺仿真程序的焊接任务中，并对焊接工艺点设置插补类型。

其中，实际焊点包括孤立焊点或连续焊点，连续焊点为以固定焊接顺序排列的若干个焊点，该若干个焊点连续焊接形成焊缝。对于孤立焊点，焊接任务中采用关节插补的方式进行插补；对于连续焊点，采用直线插补或圆弧插补等方式进行插补。焊接类型和对应的插补方式共同构成了初始焊接路径程序。

与焊接路径程序的编写方法对应，S100中获取焊接机器人的初始焊接路径程序的方法包括：从焊接机器人示教器程序备份中导出；或者，从机器人厂商专用工艺仿真软件模拟示教程序中导出；或者，从第三方工艺仿真软件离线程序中导出。例如，初始焊接路径程序可以通过DELMIA软件的离线功能导出。

请参阅图2，S200具体包括：

S201、读取初始焊接路径程序文件。

S202、从初始焊接路径程序文件中识别孤立焊点和连续焊点，并提取各个孤立焊点和连续焊点的坐标信息。

一般地，初始焊接路径程序中包括点焊程序语句和连续焊接程序语句，其中，点焊程序语句中包含有一个焊点信息，对应孤立焊点，连续焊接程序语句中包含有至少两个焊点信息，对应连续焊点，通过识别焊点信息的数目可以识别孤立焊点和连续焊点。还可以通过焊点的插补类型来判断该焊点的原型为孤立焊点或者连续焊点，具体地，如果焊点的插补类型为关节插补，则对应孤立焊点，如果焊点的插补类型为直线插补或圆弧插补，则对应连续焊点。

在S202中，焊点的坐标信息包括焊点坐标和焊枪角度坐标，焊枪角度坐标记录了焊枪从一个焊点坐标移动到另一个焊点坐标的转动角度信息，连续焊点包括以固定顺序焊接形成焊缝的至少两个焊点，且连续焊点的坐标包括起始点坐标和终点坐标。

具体地，每个焊点投影在直角坐标系下的六个坐标轴上，通过焊点在X轴、Y轴、Z轴上的投影获取焊点的位置坐标信息，通过焊点在U轴、V轴、W轴上的投影获取焊枪角度坐标信息。

S203、如果一段连续焊点的终点坐标同时是另一段连续焊点的起始点坐标，则将这两段连续焊点合并为新的连续焊点。记录终点坐标或起始点坐标为新的连续焊点的中间点坐标。

并且，S203中通过数组的方式记录各个焊点的坐标和焊接类型，以及连续焊点的中间点的编号。

请参阅图3，S300具体包括：

S301、蚁群算法参数初始化。

初始化蚁群算法的参数，确定包括蚁群中蚂蚁的数目、焊枪角度因子和最大循环次数，还包括初始化焊点个数、启发函数、信息启发因子、信息期望启发因子、信息素浓度和信息素挥发系数等参数。

S302、随机选择一个焊点作为蚂蚁的起点，按照预设的循环规则遍历所有焊点，实现一次焊接循环。

焊接循环中蚂蚁的移动顺序对应焊枪的实际焊接顺序。

S303、计算第i只蚂蚁所经过的焊接路径长度L_i，以及焊接路径上的焊枪角度因子Φ_i。

焊枪角度因子Φ_i的实际意义是焊枪从一个焊点移动到下一个焊点产生的角度变化，用于记录焊枪角度信息，焊接路径长度L_i的实际意义是焊枪从焊接路径的起点到终点所经过的路程。将焊枪角度因子Φ_i归一化，其范围为[0，1]。

S304、设目标函数T_i＝Φ_i L_i，并记录目标函数T_i的最优解T对应的焊接路径作为当前最优焊接路径。

目标函数T_i的最优解T＝min(T_i)，最优解T对应的焊接路径即为基于焊枪角度因子选取的焊枪的最短焊接路径。

本发明实施例中将焊枪角度因子Φ_i添加到蚁群算法的参数中，对常规的蚁群算法进行优化，优化后的蚁群算法在运行时不是以最短循环路径输出算法结果，而是综合考虑焊接路径上的焊枪角度因子Φ_i和焊接路径长度L_i，取目标函数T_i的最优解，即基于焊枪角度因子Φ_i选取的焊接路径长度L_i最短的焊接路径作为最优焊接路径，从而实现焊接路径的优化。

S305、更新当前最优焊接路径上的信息素浓度。

基于蚁群算法的原理，蚂蚁在移动的过程中，会根据搜索路径上的信息素浓度来决定下一步的移动方向，若该条路线上信息素浓度较高，这条路线的信息素会吸引更多的蚂蚁，从而使更多的蚂蚁朝着最优焊接路径靠近，同样的，在信息素浓度较低的路线上，随着信息素挥发系数的影响，蚂蚁会越来越少，这条焊接路径上的蚂蚁也会越来越少，最终蚂蚁会聚集在最优焊接路径上。在本发明实施例中，初始时将所有路径上的信息量设置为最大值τ_max，每次循环后，按照挥发系数减小每个路径上的信息素浓度，而只有最佳路径上的信息量才允许增加，同时，各个路径上的信息量被限制在区间[τ_min，τ_max]内，避免某条路径上的信息量远大于其他路径，使所有蚂蚁都集中在同一条路径之上而使算法不再扩散，从而避免所得的最优解为局部最优，而是全局最优。

S306、判断焊接循环的总次数是否达到最大循环次数。

S307、若是，则输出最优焊接路径，否则，返回S302。

将每次焊接循环中蚂蚁个体的移动轨迹记为焊枪的一条焊接路径，得到优化后的所有焊接路径的集合。

进一步地，S302中所述的预设的循环规则为：

每抵达一个焊点，先判断焊点的焊接类型；

如果焊点为孤立焊点，则按照状态转移概率向下一个焊点位置移动；

如果焊点为连续焊点的起始点，则无条件地向连续焊点中沿固定顺序排列的下一个焊点位置移动，且排除由两段连续焊点合并所构成的新的连续焊点的中间点作为蚂蚁的起点；

每经过一个焊点，则修改蚂蚁个体的移动禁忌表，直至蚂蚁个体遍历所有焊点，实现一次焊接循环。

请参阅图3和图4，图3为本发明第二实施例提供的最优焊接路径的示意图，图4为本发明第三实施例提供的最优焊接路径的示意图。为方便描述，实施例中以规律排列的多个焊点形成的焊接路径来进行说明。

如图3所示，将沿逆时针排列的12个焊点分别标号，遍历所有焊点形成焊接顺序为1-3-5-7-9-11-12-10-8-6-4-2的最优焊接路径，其中，标号1的焊点为焊枪的起点，标号2的焊点为焊枪的终点。在本实施例提供的最优焊接路径中，将相邻焊点之间的连接角度的变化，即焊枪角度因子作为第一重要的考虑因素，焊枪从一个焊点移动到下一个焊点的角度变化幅度和次数最低，而将焊接路径的长度，也即焊枪从起点到终点所经过的路程作为第二重要的考虑因素。

需要说明的是，当焊枪角度因子最大时，焊枪的角度变化幅度最小，且焊枪的姿态以及与焊枪连接的线缆大幅度变动的次数也最少，从而减少了对焊枪和线缆的损伤，但焊接路径的长度可能不是最短的。

如图4所示，将沿逆时针排列的12个焊点分别标号，遍历所有焊点形成焊接顺序为1-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2的最优焊接路径，其中，标号1的焊点为焊枪的起点，标号2的焊点为焊枪的终点。在本实施例提供的最优焊接路径中，将焊接路径的长度作为第一重要的考虑因素，即焊枪从起点到终点所经过的路程最短，而焊枪角度因子作为第二重要的考虑因素。在本实施例中，当焊接路径的长度最小时，焊接过程所花费的时间最短，焊接效率最高，但焊枪的角度变化幅度可能较大。

图3和图4所示为两种较极端的方案，但在实际应用中，需要综合考虑焊接路径的长度和焊枪角度这两个影响因素的比重，通常将基于焊枪角度因子选取的最短焊枪路径作为最优焊接路径。具体地，对于长时间处于工作状态、承担较大负载以及有绕线危险的焊接工作，需调节焊枪角度因子的比重适当大于焊接路径长度的影响比重，能够有效延长机器人的使用寿命。而对于生产周期短，时间紧迫的焊接任务，宜调节焊接路径长度的影响比重适当大于焊枪角度因子的比重，以期提高焊接效率，缩短焊接时间。

进一步地，如图6所示，本发明第四实施例提供的机器人焊接路径的优化方法还包括：

S401、根据最优焊接路径对初始焊接路径程序中的焊接顺序重新排序，得到焊接路径优化程序。

S402、根据实际焊接工况在焊接路径优化程序中的部分焊点处、且沿焊枪角度方向增加焊接接近点和焊接退枪点。

S403、对焊接接近点和焊接退枪点设置相应的焊接参数，得到完整的焊接路径优化程序。

其中，焊接参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、起弧文件、收弧文件和保护气体。

基于本发明提供的机器人焊接路径的优化方法完善初始焊接路径程序，得到焊接路径优化程序，并根据实际焊接工况，在工件上的某些焊接部位，如角焊缝等焊接部位添加必要的焊接接近点和焊接退枪点，用于防止焊枪在焊接过程中发生干涉和碰撞。

为了形成完整的焊接程序，在焊接路径优化程序中对应于焊接接近点和焊接退枪点设置焊接参数，如焊接电流、焊接电压、焊接速度、起弧文件、收弧文件和保护气体等焊接参数。该焊接参数可以通过机器人厂商专用仿真软件或机器人示教器等进行添加，在兼容性方面两者是等效的。需要说明的是，采用机器人示教器添加焊接参数的方法在焊点较多的情况下操作繁琐、工作效率较低，而采用计算机仿真软件添加焊接参数效率高，有着绝对的优势。

S500、采用仿真软件对该完整的焊接路径优化程序进行仿真模拟，再使用机器人进行现场焊接测试。

得到完整的最优焊接路径程序后，通过机器人厂商专用仿真软件如DTPS等实现焊接路径程序的添加和完善，将该完整焊接路径优化程序导入到机器人示教器中，以使焊接机器人根据输入的焊接路径优化程序进行焊接作业。于此，即完成从初始化焊接程序到能够满足和实现焊接要求的最优焊接路径程序。

并且，利用机器人进行现场测试时，应采用较低的运行速度，以防止仿真模拟程序与实际工况不符时能及时终止焊接测试，避免发生焊枪碰撞造成危险和严重损失。

本发明实施例还提供了一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上且在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现如图1或图6所示的机器人焊接路径的优化方法中的各个步骤。

本发明实施例中还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如图1所示的机器人焊接路径的优化方法中的各个步骤。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

以上为对本发明实施例提供的一种机器人焊接路径的优化方法的描述，技术人员依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，因此本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种机器人焊接路径的优化方法，其特征在于，所述方法包括：

获取焊接机器人的初始焊接路径程序；

从所述初始焊接路径程序中提取焊点坐标和焊枪角度信息，所述焊枪角度信息记录了焊枪沿所述焊点坐标移动时的转动角度；

根据所述焊枪角度信息对焊枪的焊接路径进行优化，将基于所述焊枪角度信息选取的焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径；

其中，从所述初始焊接路径程序中提取焊点坐标和焊枪角度信息，包括：读取初始焊接路径程序文件；从所述初始焊接路径程序文件中识别孤立焊点和连续焊点，并提取各个所述孤立焊点和连续焊点的坐标信息，其中，所述连续焊点包括以固定顺序焊接形成焊缝的至少两个焊点；所述坐标信息包括焊点坐标和焊枪角度坐标，所述焊枪角度坐标记录了焊枪从一个焊点坐标移动到另一个焊点坐标的转动角度信息；所述连续焊点的坐标包括起始点坐标和终点坐标，如果一段连续焊点的终点坐标同时是另一段连续焊点的起始点坐标，则将这两段连续焊点合并为新的连续焊点，并记录所述终点坐标或所述起始点坐标为所述新的连续焊点的中间点坐标；

其中，根据所述焊枪角度信息对焊枪的焊接路径进行优化，包括：初始化蚁群算法的参数，确定包括蚁群中蚂蚁的数目、焊枪角度因子和最大循环次数；随机选择一个焊点作为蚂蚁的起点，按照预设的循环规则遍历所有焊点，实现一次焊接循环，直至焊接循环的总次数达到所述最大循环次数；将每次焊接循环中蚂蚁的移动轨迹记为焊枪的一条焊接路径，得到优化后的所有焊接路径的集合；

其中，基于所述焊枪角度信息选取的焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径，包括：计算第i只蚂蚁所经过的焊接路径长度Li，以及所述焊接路径上的焊枪角度因子Φi；设目标函数Ti＝Φi Li，并将所述目标函数Ti的最优解T对应的焊接路径作为最优焊接路径；其中，T＝min(Ti)；所述焊枪角度因子Φi归一化，其范围为[0，1]。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取焊接机器人的初始焊接路径程序的方法包括：

从焊接机器人示教器程序备份中导出；

或者，从机器人厂商专用工艺仿真软件模拟示教程序中导出；

或者，从第三方工艺仿真软件离线程序中导出。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的循环规则为：

每抵达一个焊点，先判断所述焊点的焊接类型；

如果所述焊点为孤立焊点，则按照状态转移概率向下一个焊点位置移动；

如果所述焊点为连续焊点的起始点，则无条件地向所述连续焊点中沿固定顺序排列的下一个焊点位置移动，且排除由两段连续焊点合并所构成的新的连续焊点的中间点作为蚂蚁的起点；

每经过一个焊点，则修改蚂蚁个体的移动禁忌表，同时更新当前焊接循环中的信息素浓度，直至遍历所有焊点，实现一次焊接循环。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据所述焊枪角度信息对焊枪的焊接路径进行优化，将基于所述焊枪角度信息选取的焊枪的最短焊接路径作为最优焊接路径之后，还包括：

根据所述最优焊接路径对初始焊接路径程序中的焊接顺序重新排序，得到焊接路径优化程序；

根据实际焊接工况在所述焊接路径优化程序中的部分焊点处、且沿焊枪角度方向增加焊接接近点和焊接退枪点；

对所述焊接接近点和焊接退枪点设置相应的焊接参数，得到完整的焊接路径优化程序，其中，所述焊接参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、起弧文件、收弧文件和保护气体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述得到完整的焊接路径优化程序之后，还包括：

采用仿真软件对所述完整的焊接路径优化程序进行仿真模拟，再使用机器人进行现场焊接测试。

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